-196—+100℃高低溫攝像裝置低溫性能實驗研究

王珊珊 黃永華 張良俊 吳靜怡 許煜雄 李素玲

(上海交通大學制冷與低溫工程研究所 上海 200240)

1 引言

由于最終要暴露在太空惡劣的環(huán)境中長期工作，經(jīng)歷劇烈的冷熱交變沖擊，航天裝置被發(fā)射升空前需在地面環(huán)境模擬實驗室內(nèi)進行運動性能測試。另外如低溫醫(yī)學系統(tǒng)中工作于液氮環(huán)境中的儀器設備，也必須耐受－196℃的惡劣工況場合。為了實時觀測目標空間內(nèi)部工作設備或者被測運動裝置的運行狀況，需要在艙室內(nèi)部安裝可視化監(jiān)控裝置。通常的攝像監(jiān)視裝置及照明設備無法在高溫、低溫或者高低溫交變的惡劣環(huán)境中工作，特別是攝像機的CCD或CMOS成像感光元件無法在－40℃以下或55℃以上工作，電路及焊點在高低溫環(huán)境下易出現(xiàn)故障等。傳統(tǒng)的做法是，采用在目標試驗室或杜瓦上開設觀察窗，如Jin等［1］用置于常溫大氣空間的CMOS相機透過觀察窗記錄液氮沸騰的氣泡分離率;Rousset［2］等利用光學纖維照明試驗器件并特制低溫內(nèi)窺鏡傳遞圖像到常溫的攝像裝置，但一般適合小型裝置，如觀測液氮、液氦等小尺度流道內(nèi)流動及沸騰狀況。對于空間內(nèi)較大尺寸的設備運行情況監(jiān)控應用有一定困難。

本研究的可視化裝置可在高低溫環(huán)境模擬試驗室內(nèi)部工作，不僅有利于觀察隱蔽區(qū)域(觀察窗的死角)的目標，大大擴展視野，而且可基本消除因觀察窗開孔引起的漏熱及氣密性問題，從而對內(nèi)部系統(tǒng)造成盡量小的影響;而且可有效地提高試驗系統(tǒng)的安全性，對內(nèi)部情況進行實時實地的連續(xù)跟蹤?？臻g模擬環(huán)境試驗室為高低溫交變環(huán)境，從液氮溫度－196℃到+100℃。這就要求可視化監(jiān)視裝置既能滿足高溫工況的隔熱條件，又能滿足低溫工況下的絕熱保溫要求，保證內(nèi)部感光元件及照明設備處于－30—+50℃，并正常工作。

2 實驗裝置設計

本研究設計并加工了－196℃至+100℃環(huán)境下耐高低溫攝像監(jiān)視裝置，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。實驗裝置由內(nèi)外筒組成，外筒為薄璧不銹鋼圓筒，內(nèi)筒采用0.15 mm薄璧不銹鋼波紋管。相比直管，波紋管可在保證機械強度滿足真空度要求的前提下大幅減小傳熱面積，同時較大地增長傳熱路徑，從而有效減小從外界漏入內(nèi)腔的熱量。內(nèi)外筒抽真空度至10－4Pa數(shù)量級，形成高真空絕熱結(jié)構(gòu)。內(nèi)外筒體一側(cè)端面均為玻璃法蘭視窗，另一側(cè)端面為金屬端蓋法蘭。為了便于安裝與拆卸，試鏡法蘭和端蓋法蘭均采用螺栓預緊連接方式，并通過無氧銅密封圈實現(xiàn)密封，高真空檢漏率小于10－10Pa·m3/s。攝像器件懸空置于圓柱形絕熱裝置的內(nèi)筒內(nèi)，由三角形聚四氟乙烯板固定，如圖2a所示，通過3個支點與內(nèi)筒壁面接觸，減小漏熱。攝像器件采用常規(guī)視頻攝像頭，集成低散熱主動LED光源，感光器件面向透明試鏡玻璃，用于待測區(qū)域的成像。內(nèi)筒裝置內(nèi)部布置兩支PT100鉑電阻溫度計，其一位于攝像頭壁面上，另一布置于內(nèi)筒壁，兩支溫度計徑向位置相同，以便具有可比較性地實時觀測記錄裝置內(nèi)部溫場變化情況。將24 V/80 W柔性聚酰亞胺電加熱膜均勻覆于內(nèi)筒內(nèi)壁面，用作主動加熱熱源。攝像器件電源及信號引線、電加熱膜引線由薄璧不銹鋼回氣通道引出至室溫端，并由三通接頭通過密性航空接插件與外界測量儀器連接;回氣通道也可與真空泵系統(tǒng)連接，對波紋管內(nèi)筒進行抽真空。為了在高溫工況時對波紋管內(nèi)筒提供冷量，采用進氣通道輸送常溫干燥氮氣，進氣通道進入內(nèi)筒腔體后，采用環(huán)形散氣結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)側(cè)面開設多個出氣孔，用于均勻冷卻攝像器件。裝置工作情況整體圖如圖2b所示。

圖1 高低溫攝像裝置設計圖Fig.1 Design of high/low temperature visualization system

圖2 高低溫攝像裝置實驗布置圖Fig.2 Eexperimental setup and insulated camera

高低溫攝像裝置的工作方式根據(jù)外部環(huán)境的不同存在兩種模式。當外部為低溫工況(液氮溫區(qū))時，保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)部器件向外部冷環(huán)境散熱。雖有高真空絕熱結(jié)構(gòu)，但隨著時間的延長，由于輻射漏熱及波紋管內(nèi)筒壁面導熱等作用，內(nèi)筒結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度仍然緩慢下降。此時除了攝像器件本身工作產(chǎn)生的焦耳熱，還需要電加熱膜進行熱量補償。電加熱功率根據(jù)鉑電阻溫度計反饋信息調(diào)節(jié)。同時，通過薄璧不銹鋼回氣管將波紋管內(nèi)筒內(nèi)部氣體抽除，實現(xiàn)10－4Pa量級真空環(huán)境，減少內(nèi)部氣體對流換熱和導熱，進一步提高對攝像頭的保溫作用。當外部環(huán)境為高溫工況時，由于波紋管內(nèi)筒壁面導熱及輻射漏熱等作用，環(huán)境熱量進入保溫結(jié)構(gòu)內(nèi)部，在高真空絕熱作用下，傳遞熱量小，但隨著時間的積累，最終內(nèi)部器件溫度會逐漸升高。通過進氣通道及環(huán)形散流結(jié)構(gòu)向內(nèi)筒內(nèi)部的工作腔輸入干燥室溫氮氣，對器件進行冷卻，并通過回氣通道回流。氮氣回路中串聯(lián)一微型氣體泵及空氣散熱器，形成氮氣循環(huán)回路。

本文從理論和實驗兩個方面研究在低溫環(huán)境(液氮溫區(qū))時攝像裝置的傳熱機理及實際試驗性能。

3 傳熱理論計算

考慮裝置在高真空絕熱狀態(tài)及低真空(更接近長期使用后的實際情況)的傳熱問題［3－6］，內(nèi)外筒間的漏熱由3個部分組成:輻射換熱Qrad、波紋管導熱Qs_cond和裝置內(nèi)部剩余氣體導熱Qg_cond?？倱Q熱Qtot可表示為:

3.1 輻射換熱部分

式中:Q為單位面積輻射熱流;σ為波爾茲曼常數(shù)，其值為5.67×10－8W/(m2·K4);T1為內(nèi)筒壁面溫度設置為20℃;T2為外壁面溫度－196℃;ε為物體發(fā)射率，在－196℃時不銹鋼ε1=ε2=0.048，玻璃為0.87;φ為輻射傳熱角系數(shù)，內(nèi)外筒壁取φw=1，內(nèi)外玻璃:

3.2 波紋管導熱

3.3 剩余氣體導熱部分

式中:Kn為克努森(Knudsen)準數(shù)；為分子自由程;L為特征尺寸，4.2 cm。對于夾層中的氣體導熱，Kn是一個重要參數(shù)，Kn＞10為高真空狀態(tài);0.01＜Kn＜10為中間壓強區(qū);Kn＜0.01為連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)。

3.3.1 高真空狀態(tài)

式中:k= ［(γ +1)/(γ －1)］［R/8πMT］1/2，空氣的k值取1.200 1;a為空氣適應系數(shù)，在－196℃時取1。在高真空狀態(tài)，如當壓強p為1×10－3時，內(nèi)部剩余氣體導熱Qg_cond=0.020 8 W，氣體導熱在總的漏熱中的作用幾乎可以忽略，為輻射換熱的8.77‰。

3.3.2 中間壓強區(qū)

式中:λp為大氣壓下(Kn→0)氣體的熱導率，取0.024 26 W/(m·K);γ為氣體的比熱容比，γ=cp/cv=1.814 87;ε=(9γ－5)/4=2.013 2。在中間壓強區(qū)，0.01＜Kn＜10，Qg_cond為0.263 9—9.7 W，氣體導熱正比于壓強，隨著壓強的增大而急劇增大。試驗中應避免Kn在0.01量級附近(實際上已接近連續(xù)介質(zhì)狀態(tài))，否則Qg_cond接近最大值9.7 W，為維持攝像器件正常工作需提供較大熱量。

3.3.3 連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)

式中:ρ為空氣密度;υ—為氣體分子的算術(shù)平均速度k為波爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10－23J/K，在連續(xù)介質(zhì)狀態(tài)，λ不隨壓強p變化，氣體導熱達到最大值9.7 W。

4 實驗及數(shù)據(jù)分析

在試驗敞口液氮容器內(nèi)放入一枚硬幣作為拍攝目標，把高低溫攝像監(jiān)控裝置放入該液氮容器中，緩慢加注液氮，防止玻璃試鏡因劇烈降溫引起的應力集中而破裂。裝置內(nèi)外筒之間的夾層真空度為1.5×10－4Pa，用 XMTD型溫控儀控制內(nèi)筒壁面溫度為20℃。圖3為攝像裝置浸沒于液氮中拍攝的液氮加注過程對比圖。放置硬幣的圓形泡沫材料隨著液氮的加注而成漂浮狀態(tài)，位置發(fā)生改變，并且可觀測到氣泡的產(chǎn)生。根據(jù)第3部分傳熱理論計算可得，當實驗裝置內(nèi)外筒夾層及波紋管內(nèi)筒內(nèi)部為高真空時，總體漏熱為2.915 W?？紤]攝像器件工作過程中產(chǎn)生的焦耳熱，向波紋管內(nèi)筒壁面附著的電加熱膜輸入功率為2.7 W。圖4顯示，當電加熱膜輸入功率為2.7 W時，內(nèi)筒壁面溫度可維持20℃左右，攝像器件由于自身的焦耳熱作用，表面溫度實測為27.5—30.5℃，高于內(nèi)筒壁面溫度。從液氮容器加注液氮開始開啟攝像器件進行工作。在0 s時液氮浸沒整個高低溫攝像裝置。0—1 400 s時間跨度內(nèi)，由于液氮冷量不斷進入波紋管內(nèi)筒，攝像器件溫度成下降趨勢。從1 400 s開始開啟加熱電源，內(nèi)筒壁面溫度隨著電加熱膜工作溫度從16℃升高至20℃，并應用控溫儀的通/斷原理保證內(nèi)筒壁面溫度在20℃上下波動，進行控溫。攝像器件表面的溫度也因熱量的輸入逐漸升高，并隨著控溫儀的開閉在27.5—30.5℃區(qū)間正弦波動。由此可得出，在高真空狀態(tài)，攝像監(jiān)控裝置能在液氮溫區(qū)正常工作，而僅需要額外輸入很小的功率。在實際運行狀態(tài)時，由于長期工作，高低溫攝像裝置內(nèi)部材料會表面放氣，連接部件也存在10－10Pa·m3/s量級的漏氣，需考察裝置在這種工況下能否正常工作。實驗測量真空度1.7×10－4Pa、2.0×10－2Pa和0.2 Pa情況下攝像器件壁面溫度隨著電加熱膜功率的變化。圖5為3種不同真空度下，攝像器件壁面溫度與電加熱功率的對應關(guān)系。在相同輸入功率下，攝像器件壁面溫度隨著真空度的下降而降低。在真空條件下，單位體積內(nèi)包含的氣體分子數(shù)大為減少，分子平均自由程大于容器的夾層尺寸，氣體的有效熱導率(包含導熱和對流)隨著壓強的降低而顯著減小。當真空度達到0.01 Pa級以上量級時，氣體導熱幾乎可以忽略，總的漏熱主要由輻射換熱及波紋管導熱組成。由圖5可知，輸入相同熱量，攝像器件壁面溫度在真空度為1.7×10－4Pa和2.0×10－2Pa下平均相差4.72℃;真空度分別為2.0×10－2Pa和0.2 Pa時，平均相差40.7℃。由此可得出，這個階段為中間壓強區(qū)，氣體熱導率正比于壓力，隨著壓力的升高氣體導熱占據(jù)重要作用，攝像系統(tǒng)的絕熱性能迅速惡化。根據(jù)實驗結(jié)果，此時需相應增大電加熱膜的輸入熱量，才能維持內(nèi)筒內(nèi)部溫度使攝像器件能正常工作。不建議在夾層真空劣于10－1Pa狀態(tài)下工作。

圖3 高低溫攝像裝置拍攝的照片F(xiàn)ig.3 Comparison between images from high/low temperature visualization system

圖4 攝像器件表面溫度隨時間變化關(guān)系Fig.4 Temperature field vs time at surface of camera

5 結(jié)論

圖5 3種真空度下攝像器件壁面溫度與輸入功率的關(guān)系Fig.5 Surface temperature of camera vs input power

設計和加工了－196℃到+100℃高低溫工作環(huán)境的緊湊型攝像系統(tǒng)，通過理論傳熱計算，分析了攝像裝置整體漏熱情況及裝置內(nèi)真空度變化導致氣體導熱在整體漏熱中所占比重的變化。進行了低溫工況(液氮溫區(qū))下裝置的實際性能試驗。傳熱計算及實驗數(shù)據(jù)表明，高真空狀態(tài)下，輸入少量熱量(～2.7 W)，即可維持攝像監(jiān)控裝置在液氮溫區(qū)正常工作，成像器件表面溫度在27.5—30.5℃之間。定量實驗研究了絕熱夾層處于不同真空度水平時，攝像器件壁面溫度隨著電加熱膜輸入功率的變化關(guān)系。在高真空狀態(tài)，真空度變化對整體漏熱影響不明顯，輸入相同熱量，真空度從10－4Pa到10－2Pa攝像器件壁面平均溫差4.72℃;在中間壓強區(qū)，氣體導熱正比于壓力而顯著增加，真空度從10－2Pa到10－1Pa平均溫差為40.7℃?？傮w上，所設計的實驗裝置有良好的保溫和耐溫性能，即使由于長期應用后由于材料放氣或微小漏氣導致真空度下降至10－1Pa量級，輸入補償電加熱熱量也僅為4.1 W，已能滿足正常運行要求。若在內(nèi)外筒夾層內(nèi)壁面采取反射鍍層，填充膨脹珍珠巖等措施，理論上應可獲得正好的絕熱性能。

1 Jin T，Zhang S Y，Tang K，et al.Observation and analysis of the detachment frequency of coalesced bubbles in pool boiling liquid nitrogen［J］.Cryogenic 51，2011:516－520.

2 Rousset B，Chatain D，Beysens D，et al.Two－phase visualization at cryogenic temperature［J］.Cryogenic 41，2001:443－451.

3 陳國邦，張 鵬.低溫絕熱與傳熱技術(shù)［M］.北京:科學出版社，2004.

4 達道安.真空設計手冊［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004.

5 陳國邦，包 銳，黃永華.低溫工程技術(shù)·數(shù)據(jù)卷［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2006.

6 楊世銘，陶文銓.傳熱學［M］.北京:高等教育出版社，2006.